[发明专利]重金属轴流泵的多学科优化设计方法

权利要求书

1.重金属轴流泵的多学科优化设计方法，所述重金属轴流泵的过流部件由吸入室(1)、叶轮(2)、导叶(3)和扩散管(4)四部分组成，其特征在于，采用多学科优化方法，将重金属轴流泵的优化设计流程模块化，分为水力设计模块、结构造型优化模块、CFD计算模块、流固热耦合模块和系统优化模块五大模块，

其中，水力设计模块是采用理论与经验相结合的方式对重金属轴流泵的叶轮进行水力设计，结构造型优化模块是较为系统的建立重金属轴流泵的三维几何模型群并优化，CFD计算模块是采用大型CFD技术对重金属轴流泵的模型群进行数值计算分析，流固热耦合模块是采用有限元分析软件对重金属轴流泵的过流部件进行流固热耦合计算，系统优化模块是使多个系统目标性能最优，分析各模块相互作用产生的协调效应获得系统整体最优解，

其中水力设计模块、结构造型优化模块、CFD计算模块、流固热耦合模块顺次相连，前一个模块的计算结果作为后一个模块计算的初始条件，并将CFD计算模块和流固热耦合模块计算结果作为系统优化模块的输入，在系统优化模块的数学模型进行迭代寻优，直至满足条件；

具体包括以下步骤：

步骤1：水力设计模块，采用速度系数法并结合设计经验，设计多工况运行好、低气蚀、效率高的重金属轴流泵的轴流式叶轮，设计叶轮的结构参数，获得离心泵叶轮结构的初始外形，并设计离心泵的其他过流部件，包含导叶、吸入室和扩散管，并对叶轮、导叶、吸入室和扩散管进行三维建模，得到叶轮、导叶、吸入室和扩散管对应的水体模型，采用商业CFD模拟软件对泵的水力性能进行计算，得到重金属轴流泵的全流量水力性能数据，从而进入步骤2；

步骤2：分析评价重金属轴流泵的水力性能，对重金属轴流泵的结构参数进行调整，包括设计参数Ⅰ叶轮外径D、设计参数Ⅱ轮毂比、设计参数Ⅲ翼型安放角β、设计参数Ⅳ叶珊疏密度、设计参数Ⅴ导叶叶片数、设计参数Ⅵ导叶体锥角、设计参数Ⅶ导叶进口边和叶轮出口边之间的距离、设计参数Ⅷ扩散管长度和设计参数Ⅸ扩散管扩散角九个系统变量，设定系统变量的约束条件，并每个设计参数对应4种设计方案，首先对设计参数Ⅰ不同方案分别进入步骤1的CFD计算，分析遴选出2个最优方案，然后进入下一个设计参数的优化遴选循环，每完成三个设计参数的遴选循环后再进行一次8选4的遴选，最终完成9个设计参数的遴选过程，得到64组最优方案，并再次对64组方案进行评价遴选出16种最佳方案，进入步骤3；

步骤3：采用商业CFD模拟软件将步骤3中遴选出的16种最优方案进行热流场的计算分析，得到的计算结果，对该重金属轴流泵的叶轮、导叶和轴结构进行三维建模，采用有限元分析软件对叶轮及轴系结构进行基于有限元的热力学分析，并将热流场计算结果中的流固接触面的压力信息导入并施加在叶轮和导叶结构上，完成流固热耦合计算，分析叶轮和导叶的应力应变分布情况并进行综合评估，遴选出4种最优方案；当叶片变形超过设计要求时，叶片厚度增加原叶片厚度的0.07至0.12倍，当叶片变形远优于要求规定的变形量时，叶片厚度减小原叶片厚度的0.07至0.12倍；将4种最优方案叶片厚度进行调整后，重新进入泵的热流场计算及流固热耦合运算，直至优化厚度后叶片最大变形超过设计要求指标的5％至10％，然后进入步骤4；

步骤4：将最终4种最优方案的水力特性、叶轮结构的有限元安全特性、泵装置气蚀性能三方面进行综合评估，考虑的指标重要性依次是：叶轮结构的有限元安全特性重金属轴流泵水力特性泵装置气蚀性能，并构建该重金属轴流泵的系统多学科优化目标函数的数学模型，得到1种最优方案。